電子表格音樂合成器

陳凱

電子合成器是一種音樂設備，它能生成簡單的振蕩波，然后通過疊加、過濾等操作對波的形態進行修改，從而創造出某種獨特的聲音效果，合成器有硬件、軟件之分，在計算機里運行的合成器稱為軟件合成器。至于電子表格，是用來存儲、統計、分析數據的，常用的有MS Excel或WPS表格。電子合成器和電子表格看似風馬牛不相及，而這篇文章要講的卻是怎么拿電子表格代替電子合成器來使用，雖然說任務有點奇怪，但涉及的操作無非是公式自動填充、插入圖表、復制、粘貼等，整個過程實施一遍后，計算機存儲、編輯、播放聲音的最基本原理也就很清晰了。

● 生成不同的波形

電子合成器中最常用的波形有方波、三角波、鋸齒波、正弦波等，形狀如圖1所示。

圖1中各波形的橫軸“t”均為時間，縱軸“A”為幅度。用電子表格生成這些波形很容易，以鋸齒波為例，電子表格的第一列中，用拖曳功能自動填充從0開始逐漸增大的整數，可以填充幾百到數千行，然后在第二列寫入公式“=MOD（A1，200）”，再利用拖曳功能自動填充幾百到數千行。選中整個第二列后插入圖表，選折線圖，就可以看到若干鋸齒波了（如圖2）。公式中的“200”是波的振動幅度，如果聲波的量化級數為8位，那么幅度不應該大于2的8次方減1，即255。

鋸齒波的特點是先以一定斜率上升，然后陡然落下。若將公式“=MOD（A1，200）”換成其他公式，就可以生成三角波和方波，具體公式怎么寫，就留給大家思考了。

生成正弦波的公式為“=SIN（A1*3.14/180）*120+120”，略復雜些，因為三角函數的計算結果小于1并且有負數，所以先乘上120再加上120來控制振動的幅度，注意在“設置單元格格式”中，將小數位數設置為0（如圖3）。

● 增波合成

增波合成指的是將不同形狀的波疊加起來，使得聲波的形態發生變化，從而改變音色。這里舉一個簡單的例子，將剛才的正弦波頻率設為原來的三倍，再將這個波與原來的波疊加起來，電子表格中改變頻率的操作也很簡單，只要另增一列，使自動填充的數字由每次加1改為每次加3即可（如下頁圖4）。

然后，將頻率變化后的波與原始的波疊加，所做的數學運算其實就是取兩個波的振幅的平均值，用自動填充功能填充完取平均數的公式后，就可得到合成后的波（如下頁圖5）。

這個波與原有的波有很大的不同，怎么把這個波播放出來以觀察音色的變化呢？這就需要將電子表格中的數據以二進制形式存儲到計算機中。

● 生成波形數據文件

生成波形數據文件需要兩個步驟：首先，將十進制的數據轉為十六進制（實際上是用相對容易表達的十六進制來表示二進制），在電子表格中使用“DEC2HEX”函數就可以輕松實現（如圖6）。其次，以二進制形式存儲電子表格中的波形數據，最簡單的方法是使用在線的二進制文件編輯器（網址為https：//hexed.it）。

選中電子表格中存儲有十六進制數據的那一列，直接粘貼到在線編輯器中，注意要選中“Hexadecimial Values”（如圖7）。為了使聲波能持續一段時間，可以反復多次粘貼操作。粘貼完成后，不用進行任何編輯操作，直接點“Export”，給文件命名，將文件保存在硬盤中就可以了。保存好的文件稱為音頻裸數據，也就是沒有任何格式說明的音頻數據，可以利用音頻編輯工具，如Audacity、Cool Edit等軟件播放這段聲音，或將其轉為其他格式音頻文件。以Audacity為例，選中菜單“文件—導入—原始數據”，然后選中“Unsigned 8 bit PCM”（由于先前波的振動幅度都在0到255之間，所以量化極數為8bit）以及“單聲道”，就可以聽到先前用電子表格編輯的聲音了，原始的正弦波播放出來是純凈的低音，在疊加后有了毛毛的類似管樂的效果。

● 挑戰任務

最后，列一些值得挑戰的任務供有興趣的讀者進行實驗，難度由低到高：

☆用電子表格生成一段噪音并播放。

☆用電子表格生成一段逐漸從小到大的方波數據并播放。

☆用電子表格生成“DoSoDoSoDoSo”簡單鳴笛聲的波形數據并播放，注意音符“So”的頻率約為“Do”的1.5倍，為了讓聲音持續一段時間，需要在電子表格中自動填充數千行的數據，當然也有偷懶的辦法，就是在播放聲音時調低導入數據的采樣頻率。